JPH10505432A - High-speed optical system - Google Patents
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- JPH10505432A JPH10505432A JP8500709A JP50070996A JPH10505432A JP H10505432 A JPH10505432 A JP H10505432A JP 8500709 A JP8500709 A JP 8500709A JP 50070996 A JP50070996 A JP 50070996A JP H10505432 A JPH10505432 A JP H10505432A
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Abstract
(57)【要約】 本発明はレンズシステム及び/又は像検出器上に映す方法を提供する。レンズシステム及び方法は前記検出器上に実質的に平行入射光の焦点を合わせるために使用される。レンズシステムは、(a)2つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システム、(b)同心球面焦点リデューサ、(c)2つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システムの同心及び同心球面焦点リデューサの同心を結合するトランスファレンズシステムであって、同心の第2の中心に2つのミラーを持つシステムの同心の第1の中心を映し、かつ焦点リデューサの同心を映し、それによりこれらの利点をもつ単一の光学同心システムを提供する。またシステムには(d)システム全体において全ての球面ミラーの球面収差の和を補正する手段と、(e)開口絞りを有する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for imaging on a lens system and / or an image detector. Lens systems and methods are used to focus substantially parallel incident light on the detector. The lens system combines (a) a concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors, (b) a concentric spherical focus reducer, (c) a concentric spherical constellation and a concentric spherical focus reducer with two mirrors. A transfer lens system, comprising a mirror having two mirrors at a second concentric center, mirrors the concentric first center and the concentricity of the focus reducer, thereby providing a single optical system having these advantages. Provide a concentric system. The system also has (d) means for correcting the sum of spherical aberrations of all spherical mirrors in the entire system, and (e) an aperture stop.
Description
【発明の詳細な説明】 高速光学システム 技術分野 本発明は光学レンズシステム、及び、任意には、関連した光学リレーに関する 。 背景技術 固体画像アレー(CCD,CID等)は今や多くの応用で選択されるセンサと なっている。平面的で、幾何学的に高精度で(マイクロリソグラフィ技術の限界 )可視及び近赤外線スペクトル領域において高量子効率を持つようなデバイスは 、実質的に完全な画像検出器としての可能性を持つ。 CCDデバイスを用いた低光量レベル画像又は天体写真に対して、装置設計者 の問題として、例外的な解像度及び歪み特性ばかりか、最も高い可能性の情報獲 得率を達成するような速度において、整合する性能を持つ光学システムを見出す ことである。しかしながら、開口径が150mmを越えると、光学ガラスの同質 性が厄介な問題となり、設計的な解決法として、一般に全開口径の1つの屈折成 分を通常必要とする反射光学系又は反射屈折系に換算する。 CCD画素構造で要求する寸法の限界に対して、高速(例えばf/4以上)及 び高くかつ均一な解像度という特性を合わせて持つようなシステムは、ごくわず かである。このような観念的な強制に対して、もし、製造上の容易さや緩い許容 誤差のような現実的な態様が加えられるならば、適切な設計のための一覧表は極 めて簡単なものとなる。 この一覧表の上位はシュミットカメラとその変形型で占められる。しかしなが ら、設計のパラメータとしてより高速で均一な平面での解像度に向かうと、充分 な開口の非球面補正器の限界が、より困難で高価な製造と、重要な残差球面色収 差と傾斜効果という形で明らかになってくる。 マクストフ(Maksutov)カメラの設計においても同様に大型で充分な開口の厚い メニスカス集光要素に関連した問題が生じる。それは、より小さな傾斜効果の利 点が設計上の速度が増加するにつれて高次の球面色収差により無効になる程であ る。 幾つかの低光量レベル設計は克服しなければならない更なる障害は、CCD用 の低温保持装置を手配する必要があることである。この要求は、理想的には焦点 が外部からアクセス可能なことであり、そのかわりにカセグレン(Cassegrain)シ ステム又は少なくとも折り返し方式を含むことになる。 本発明に関連して、既にニュージーランド特許出願(第236307/236308号)及び 日本特許出願(特願平4-185640(特開平6-82699))に開示している。本発明はこれ らのシステムの改良に関するものである。 本発明は、前述の問題を解消し速度と直径について今までなかった範囲に相当 する方式の技術的な組合せという点で新規な光学設計である。さらに、本発明の 好適な実施例として低価格な構成を持ち、少なくとも有用な選択肢を持った公衆 性を提供する高速光学システムである。 発明の開示 本発明によれば、より広義には検出器への実質的な平行入射光の焦点を合わせ るのに好適なレンズシステムからなる。 本システムは、 (A)2つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システム、 (B)同心球面焦点リデューサ(reducer)、 (C)同心の第1の中心(2つのミラーを持つシステムの同心)を同心の第2 の中心(焦点リデューサの同心)に映すことにより、2つのミラーを持つカセグ レン式システムの同心と同心球面焦点リデューサの同心を結合し、それによりこ れらの利点を合わせ持つ単一の光学同心システムを提供するための移動(トラン スファ)レンズ、 (D)システム全体の球面ミラーの球面収差の和を補正する手段、及び (E)開口絞り、 を具備する。 好適にはレンズシステムは、さらに、 (F)焦点リデューサの焦点における像検出手段(以降、「検出器」)、を含 む。 好適には前記2つのミラーを持つ同心球面カセグレン状システムは如何なる開 口絞りも含まない。 好適には前記同心球面焦点リデューサは少なくとも1つの球面ミラー要素を含 む。 好適には前記同心球面焦点リデューサは少なくとも1つの屈折器要素を含む。 好適には前記トランスファレンズ・システムは屈折単一レンズである。 好適には前記同心球面焦点リデューサは以下のグループから選択される。 i.ベイカー(Baker)カメラの変形型、 ii.ホーキンズ(Hawkins)及びリンフート(Linfoot)カメラの変形型、 iii.マクストフ又はボウワー(Bouwer)カメラの派生、 である。 好適には前記同心球面焦点リデューサは、ホーキンズ及びリンフートカメラ・ システムの変形型であり、前記開口絞りがその一部を形成してシステム全体の全 ての球面ミラーの色収差の和を補正する手段である。 好適にはシステム全体の全ての球面ミラーの色収差の和を補正する手段は、同 心焦点リデューサを持った同心メニスカスである。 好適には前記同心メニスカスにより導入される色収差は、開口絞りに配置され る屈折要素により補償される。 好適には前記屈折要素は、例えば、2重(タブレット)レンズ又はその組合せ のような、ゼロパワー・色レンズ又はその組合せである。 その他として、前記屈折要素は弱い正パワーを持つ1重(シングレット)レン ズである。 好適には前記ゼロパワー・屈折要素は、瞬間光が軸上の他にレンズシステム全 体に角度を持つときに、焦点の困難性の実質的な程度を来さない程度に充分に弱 い非球面帯状補正器表面を含む。 好適には前記レンズシステムは実質的にf/1よりも速い。 好適には前記レンズシステムは約f/0.8である。 好適には前記検出器は含まれる。 好適には前記検出器は固体検出器である。 好適には前記検出器は実質的に平面状の検出表面を持つ。 図面の簡単な説明 図1は、本発明の実施例を含む天体カメラでの速度と寸法との関係を示す。 図2は、従来の同心カセグレンシュミット又はマクストフカメラの図である。 図3は本発明の好適な実施例の図である。 図4は本発明の一部を形成する光学リレーの斜視断面図である。 図5は本発明の好適な実施例の斜視断面図である。 図6は例1による本発明の好適な実施例における非球面の輪郭である。 図7は例1のシステムの断面及び側面拡大図である。 図8は例1のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。 図9は例2のシステムの断面及び側面拡大図である。 図10は例2のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。 図11は例3のシステムの断面及び側面拡大図である。 図12は低温保持装置の同心窓を含むリレーの他の形態を示す斜視断面図であ る。 図13は例3のシステムの性能を示すグラフィック表示図である。 図14(A),14(B),14(C)は、本発明の好適な形態における同心 球面焦点リデューサを提供する変形された、従来のマクストフ,ベーカー及びホ ーキンス&リンフートカメラの図である。 発明の詳細な説明 本発明の好適な形態は、焦点リデュースリレーを持ち、全ての臨界表面が球面 である同心カセグレン状カメラ・システムである。こ こで述べるリレーは同様に同心システムであり、外部焦点においてf/1速度特 性を提供するが、他のリレーが異なる速度/像−スケールパラメータを与えるた めに使用可能であることに注目すべきである。 図1は指定の設計形式が適切とする開口と速度の範囲を示す。本発明は「新帯 域」と指定した領域に適切である。 概念の記載の始めは図2に示すように同心カセグレン・シュミット又はマクス トフカメラ設計である。これらは開口絞り23、1次ミラー24、2次ミラー2 5、及び焦点面26である。シュミット非球面補正器21における傾斜効果又は マクストフ補正器22における高次球面色収差から離れて、これらの設計の像品 質は全体的な範囲で均一である。ミラーの曲率の共通中心に配置され開口絞りを 満たすシュミット補正器は対称な軸を持ち、無色形式においてマクストフ・メニ スカスを行う。これらの設計の製造上の違反は、全開口非球面又は全開口厚さマ ニスカス補正器及び補正器を支持するために必要な構成とチューブの長さを必要 とする。 図3において、もし補正器がこの設計から除外され開口絞りがミラーの曲率の 共通中心にて左側の位置に置かれるとすると、その結果は明らかに全視野角にて 著しい球面収差をもたらすことになる。もし、フィールドレンズがカセグレン焦 点位置の近くに置かれたとすると、開口絞り及びミラーの曲率の共通中心の像は 1次ミラー31のさらに後方に作られる。もし、実際の開口絞り32がこの像と 一致して配置されると、従来のシュミット開口絞りの機能(全視野角にての淵部 光線の描画)は2重になることは明らかであり、その結果、従来の開口絞りは除 去される。ミラーの曲率の共通中心及び従来の開口絞りは光学的に新たな位置に 移される。直接の利点はおおそ第1/第2の分離と同じ寸法にカメラ寸法が縮小 することであ る。球面収差は新たな開口絞り32の中心と同心のメニスカス要素33の挿入に より補正することができ、これは従来のシュミット配置から光学的に移された同 心34の新たな中心である。同心の中心のこのような移動はフィールドレンズ3 5の第1の機能であり、本明細書において以降、移動(トランスファー)レンズ と称する。 カセグレン焦点は2つのミラーの間の位置に再配置されることに注目すべきで ある。光学的配列は2次ミラー37の前方への小さなシフトにより全体的に短縮 される。補正された像は仮想のものであり、再配置された「カセグレン」焦点と 補正メニスカス33の間で位置36に位置され、これは補正メニスカスの実際的 な負のパワーのためである。実像を再設定することは、当然開口絞りと一致する 入射瞳に据えられるべきリレーレンズを必要とする。明らかに、多数の仕様が異 なる共役比を持ったリレーレンズに対して存在する。ここで記載されるリレーは CCDデバイスの代表的な寸法に対して相対的に大きな仮想像を減少することが でき、以前の光学の同心概念と原理を共にし、軸外れ収差からの本質的な独立を 保持する。 高速焦点リデューサは「低速の」の望遠鏡及び小型の検出器デバイスに対して 周知であるが、本発明では、通常でない協同的な融合は前述のサブシステムと図 4の焦点減小リレーの形式の間で可能である。同心メニスカス44は、基本的な 発明サブシステム対して前述したと同じ方法で視野角とは独立に、凹形の球面ミ ラーの球面収差の補正を行う。 タブレット45は非焦点であり、メニスカス44の色誤差と同等又は反対の色 誤差を生じる。開口絞りに位置されているので、タブレット45は全ての光束上 で等しく作用しシステムの全体的な同心を乱さない。 図4において物理的な2つの曲率中心があることに注目すべきで ある。開口絞り45の中心はメニスカス44の曲率中心であるが、この中心は折 り返し面46により位置40に反射される。この配置はより大きなアクセスの可 能性において外部焦点を達成することを可能にする。 視野曲率は、特にシュミットカメラにて周知のように、同心設計において固有 であり、焦点面に近い視野平坦化レンズ48の挿入により補正されるが、少なく とも通常のシュミット幾何学では重要な軸外れ収差の導入を犠牲にしている。し かしながら、数値的な開口(速度)は増加し、この問題は焦点表面幾何学のより 小さなスケールにより部分的にオフセットとなる。本発明の明細書で述べた実施 例において、視野平坦化レンズは、残存の球状色ニジミにさほど重要でない劣化 を与えるために弱いものとなている。 リレーの開口絞り及び新サブシステムの移動した開口絞りを併合することによ り、高速画像システムが組み立てられている。 図5は軸外れ1.83度の代表的な軸外れ角度で示される子午光線に併合した 結果で得られたレイアウトを示す。システムは1次ミラー51及び2次ミラー5 2を有する。また、システムは補正グループ54及び55(図4のメニスカス4 4及びタブレット45と同等)及び折り返し面56を含む。 図5の視界は最終的な平坦な焦点表面を描く小さく弱い視野平坦部58である 。この特定の設計において、視野平坦部レンズ58はCCD検出器の被覆されな いシリコン構造に光学的に結合されている。これは視野平坦部58により寄与さ れる付加的な収差を最小にし、かつ汚れからCCD表面を保護するために供され る。焦点表面からこのレンズを分離することは画像先鋭化の劣化と共にf/1光 線の円錐に押し入ることになる。 図5に示すシステムにおいて、このシステムの特性を以下にまと める。 (a)焦点パワーはミラーに帰し、非色彩である。 (b)球面ミラーは光学的に同心であり、従って、開口絞りが曲率の中心(又 は光学的に等価な)位置にある時にコマ及び非点収差を除去する。 (c)球面収差補正は反射性光学要素に対する単なる必要付加物である。これ は補正器グループの機能である。 (d)残存収差は弱い高次のコマ及び非点収差を備えた2次色の、低い振幅の 組み合わせであり、トランスファレンズの非同心表面において1次的に発生され る。 (e)「ぼかし」は最少である。中心の「食」は折り返し部の貫通及びリレー ミラーにより決められ、設計ではそれらの間の空間に2次ミラーを映すように調 整するように提供される。以下の例1において、中心の「食」は軸上で約31. 2%であり、直径11mmの像の周囲で33%に増大する。 (f)歪みは最小であり、ニジミ点の径よりも一般に小さい振幅を持つ。 製造コストを将来的に最小にするために、設計例では光学的な要素の曲率半径 に対して仕事場用具の「スミスリスト」を使用する。残存収差補正に対する非最 適性があるが、性能の差は無視し得る。 以下の3つの例、200mm開口f/0.9可視/NIR、1000mm開口 f/0.8可視/NIR、200mm開口f/0.93熱赤外線視界、は基本設 計の種々の相違点を示す。 仕様表は、Z軸が光学軸でありX及びY軸は互いに直交する座標系に基づく。 この設計例において、基点は1次ミラーの曲率の中心である。“D”及び“d” は環状の直径の外側及び内側の寸法である。非球面トリマの輪郭は以下の多項式 で規定される。 z=c.x2/2+ a2.x4+ a6.x6+ a8.x8 ここで、cは曲率であり、xはx軸であり、anは係数である。 このシステムのクラスに与えられる最初の2つの例の通過帯域は、一般的なC CDデバイスのスペクトル感度に整合しており、最も高い応答は450nmと1 100nmの間である。光学ガラスに対する対応する屈折指標データは、スペク トル線g,e,d,C,r,s及びn1060.0に対して公表されており、分析を目 的とする良好な適用範囲を提供する。 初期の光線追跡プロセッサは、軸外れ光線に対して優勢な残存収差として幾つ かのコマを常に示し、非同心要素から発散する。これは、同心カセグレンサブシ ステム内に等しく及び反対のコマを導入することにより充分に修正され、ここで 選ばれる技術は、移動を不完全に同心にするようにトランスファレンズの焦点距 離を増加する技術である。この手法の効果は、古典的なシュミット配置(1次ミ ラーの曲率の中心)から離れて入射瞳の中心を変位させ、軸外れ角度に横方向に 釣り合い、かくして所望の補償が行われる。その後、光線追跡は、非球面表面に 配置された開口絞りが各スペクトル線い対して正確に周辺光線を描くことを確実 にさせることで行われる。 以下に示す中間光の収差グラフは、垂直軸として入射瞳における光線の高さ及 びを持ち、水平軸は焦点面を遮断した横方向位置を与える。 2次元ヒストグラムは振幅方向に規格化され、任意の顕著な細部構造は線スペ クトル光追跡から導かれる。最も関連のある特徴は32×32μmの焦点パッチ の「足跡」の最大範囲である。 非球面帯状補正器の表面の輪郭は図6に示される。z軸はX軸(垂直の)に関 連して2000の要素により拡大される。図7は本例の側面図であり、図8は計 算された性能のグラフィック表示である。 図8の子午光線収差曲線は、視野角度が増大するような無秩序な極限への傾向 のない中庸な安定性を示している。2次元ヒストグラムが示すように、436か ら1060nmまでの全てのエネルギは、1.455°軸外れにおける32×3 2μm焦点領域にのみ焦点を結ぶ(7×9mm又は「2/3インチ」のビデオ標 準像の側に対応する角度半径)。 1mより顕著に大きいEPDにおいて、新設計システムにおける強制は、同心 カセグレン焦点における球面収差のより大きな寸法により賦課され、トランスフ ァレンズによりシステムの開口絞りに対して理想の入射瞳のマッピングに重大な 誤りを発生する。結果としての高次の収差は適切なCCD検出器の画素寸法に関 連して受入れ可能なレベルを越える傾向にある。 例2は1000mm開口視界を示す。1m変形例のトランスファレンズにて使 用される特別な色彩の補正要素がある。これは、スペクトル帯域通過の端部に起 因するニジミ点の外側部分を整えるために助けとなる。 図9は光学レイアウトの側面図を示し、図10はコンピュータ中間光のグラフ ィック図及びニジミ点特性を示す。 熱赤外線変形例 スペクトルの他の領域が利用され、適切な検出器及びこの設計の原理が適用さ れる屈折媒体に与えられることは明らかである。近年において、熱赤外線検出器 のアレーが製造されている。新画像システムに関連して最も有用なものは現在市 場にて入手可能なpt:Pt−Siアレーである。スペクトル領域3.5−5. 5μmにおける有用なスペクトル感度と共に、これらの検出器は全体的に通常の 可視/NIRシリコン描画に類似の画素寸法を持つ。 さらに、スペクトル領域3.5−5.5μmにおいて、ゲルマニウムは低価格 であり、高速リレーの屈折要素に適合する光学媒体に容易に適合するものであり 、高屈折指標はフィールド/トランスファレンズの球面曲率において大きな縮小 を可能にし、フィールド/トランスファレンズは本設計の可視/NIR視界の軸 外れ特性を制限する高次収差における対応する重要な縮小を与える。 例3の表は新システムの熱視界の光学設計を表にしたものであり、表1に与え られた例の殆どの特性で比較可能である。図11は光学レイアウトの側面図であ る。 重要な相違は、詳しくは人工サファイア分散補正器115の開口絞りにおける 使用を含み、人工サファイア分散補正器115は1重フォーマットのみを持つが 、しかしスペクトル帯域3.7−5.5μmにおいてはゲルマニウム同心メニス カス補正器の負の色収差を補正するために、関連する正の縦方向色収差に対して 正確で充分な弱い正パワーを有する。 この形式の熱カメラの本質的な要素は低温保持装置サブシステムである。低温 保持装置の窓は通常、光学的に平坦に作成されているが、本設計の高速光学と共 に、折り返し面にて作られる曲率の共通中心の反射と一致する曲率の中心を持つ 同心メニスカス119として窓を作成することはより適切なことである。その斜 視図を図12に示す。この窓はシステムの補正的な負の球面収差に貢献する。 図13は中間光束及びニジミ点のコンピュータによる特性図である。 焦点縮小リレーの設計の基礎としてホーキンス及びリンフートカメラにより提 供される従来の設計を打破する本発明の少なくとも好適な形式の可能な利点は、 補正器メニスカスが真に同心であり、色彩タブレットがゼロパワーを持ち、従っ て、設計者により多くの自由度を与えることである。古典的なマクストフ補正器 は軸外れの小さな角度に対して色収差を真に補償するように非同心に特に設計さ れる。しかしながら、本発明の少なくとも好適な形態はこの場合許容軸外れ角度 を越えている。 上述の自由度の特別な程度は光学ガラスがメニスカス及び色彩タブレットに対 して選択されるようなシステムの無色化するために使 用され、この色彩タブレットは通常の非色彩補正に内在する通常の2つの波長よ り以上の鋭い焦点を可能にする。 特に、メニスカスに対してショット(Schott)FK51を選択することにより、 タブレットにより補正されるべき色収差は、ガラスKzF N2及びPK 51 aが通過帯域400〜1100nmを越えて無色化を提供するために利用される 範囲に最小化され(典型的なシリコンベースCCD画像デバイスの全体的な感知 帯域幅)、一方、タブレットのゼロパワー使用を保持する。トリプレット形式は 収差制御において利得を許容する。 その結果、システムの解像度がファクタ約3で、全体的な画像領域を越えて5 μmと同じに低いポテンシャルのニジミ点寸法で、f/0.8程度の速度で上述 の帯域に対して改善されることである。 言い換えれば、これは、天文学やその他の科学的な探究にて使用されてきてい る新規な非常に大きなシリコンCCD画像デバイスに適合するように、設計を拡 大するための能力を意味する。 スケーリング(SCALING) 上述の3つの例の全ては「2/3インチ」ビデオ標準CCD検出器の使用に基 づき、この検出器は特定の数値開口(Numerical Aperture)に対する高速リレー サブシステムの線形寸法を有効に決定する。他の検出器寸法は、速度とフィール ド/トランスファレンズの線形フィールドと残存収差ニジミとの適切な組合せを 提供するためにリレーの変形を要求する。 3つの例から、一度、検出器/リレーの組合せが当初決定されると、どのよう にしてカセグレン要素が確立され、リレーの線形フィールドに所望の対象フィー ルド角度を整合させるか、が明らかである。2のサブシステムの融合はフィール ド/トランスファ及び補正器要素の詳細な適合により達成される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION High-speed optical system Technical field The present invention relates to optical lens systems and, optionally, related optical relays. . Background art Solid-state image arrays (CCD, CID, etc.) are now the sensors of choice for many applications. Has become. Planar, geometrically accurate (with the limitations of microlithography technology) ) Devices that have high quantum efficiency in the visible and near infrared spectral regions Has the potential as a substantially complete image detector. Equipment designer for low light level image or astrophotography using CCD device The problem is not only the exceptional resolution and distortion characteristics, but also the most probable information capture. Find Optical Systems with Matching Performance at Speeds to Achieve Gain That is. However, if the aperture diameter exceeds 150 mm, the optical glass Is a troublesome problem, and as a design solution, one refraction element, typically of full aperture, is generally used. The component is converted to a normally required catoptric system or catadioptric system. High speed (for example, f / 4 or more) is required for the size limit required by the CCD pixel structure. Systems that combine the characteristics of high resolution and uniform resolution Is. If such an ideological coercion is required, if it is easy to manufacture or loose If realistic aspects such as errors are added, the list for proper design is extremely small. It's simple. At the top of this list is the Schmidt camera and its variants. However If you go to a faster and more uniform plane resolution as a design parameter, The limitations of aspheric compensators with large apertures are more difficult and expensive to manufacture, and important residual spherical color It becomes apparent in the form of differences and tilt effects. Also large and thick enough in the design of Maksutov cameras There are problems associated with the meniscus light collection element. It has the advantage of a smaller tilt effect. The point becomes ineffective as the design speed increases due to higher-order spherical chromatic aberration. You. A further obstacle that some low light level designs must overcome is that for CCDs It is necessary to arrange a low temperature holding device. This demand is ideally a focus Can be accessed from the outside, and instead a Cassegrain system It will include a stem or at least a folded-back scheme. In connection with the present invention, a New Zealand patent application (No. 236307/236308) and It is disclosed in Japanese Patent Application (Japanese Patent Application No. 4-185640 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-82699)). The present invention It is related to the improvement of these systems. The present invention solves the above-mentioned problems and corresponds to an unprecedented range of speed and diameter. This is a novel optical design in terms of the technical combination of the methods. Furthermore, the present invention Public with a low-cost configuration and at least useful options as a preferred embodiment It is a high-speed optical system that offers high performance. Disclosure of the invention According to the present invention, in a broader sense, substantially parallel incident light is focused on the detector. Lens system suitable for This system is (A) a concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors, (B) concentric spherical focus reducer, (C) Concentric first center (concentric of system with two mirrors) Casseg with two mirrors, reflected in the center of the image (concentric with the focus reducer) Combines the concentricity of the Ren system and the concentricity of the concentric spherical focus reducer, thereby Moving to provide a single optical concentric system that combines these advantages Sfa) lens, (D) means for correcting the sum of the spherical aberration of the spherical mirror of the entire system, and (E) aperture stop, Is provided. Preferably the lens system further comprises: (F) image detecting means (hereinafter referred to as “detector”) at the focus of the focus reducer. No. Preferably said concentric spherical Cassegrain-like system with two mirrors is suitable for any open Mouth squeezing is not included. Preferably said concentric spherical focus reducer comprises at least one spherical mirror element. No. Preferably said concentric spherical focus reducer includes at least one refractor element. Preferably, the transfer lens system is a refractive single lens. Preferably said concentric spherical focus reducer is selected from the following group: i. A variant of the Baker camera, ii. A variant of Hawkins and Linfoot cameras, iii. Derivation of Makstov or Bowwer camera, It is. Preferably said concentric spherical focus reducer is a Hawkins and Linhft camera A variant of the system, wherein the aperture stop forms part of it and This is a means for correcting the sum of the chromatic aberrations of all the spherical mirrors. Preferably, the means for correcting the sum of the chromatic aberrations of all spherical mirrors of the entire system are the same. It is a concentric meniscus with a cardiac focus reducer. Preferably the chromatic aberration introduced by the concentric meniscus is located at the aperture stop. Is compensated by the refraction factor. Preferably said refractive element is, for example, a double (tablet) lens or a combination thereof And a zero-power color lens or a combination thereof. Alternatively, the refractive element is a singlet lens with weak positive power. It is. Preferably, the zero power refractive element is such that the instantaneous light is Weak enough that it does not introduce a substantial degree of focus difficulty when angled to the body Aspherical band-like corrector surfaces. Preferably the lens system is substantially faster than f / 1. Preferably, the lens system is about f / 0.8. Preferably said detector is included. Preferably said detector is a solid state detector. Preferably, the detector has a substantially planar detection surface. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 shows the relationship between speed and dimensions in an astronomical camera including an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram of a conventional concentric Cassegrain Schmid or Maxstoff camera. FIG. 3 is a diagram of a preferred embodiment of the present invention. FIG. 4 is a perspective sectional view of an optical relay forming a part of the present invention. FIG. 5 is a perspective sectional view of a preferred embodiment of the present invention. FIG. 6 is an aspheric profile in a preferred embodiment of the present invention according to Example 1. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 1. FIG. 8 is a graphic display diagram showing the performance of the system of Example 1. FIG. 9 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 2. FIG. 10 is a graphic display showing the performance of the system of Example 2. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional and side view of the system of Example 3. FIG. 12 is a perspective sectional view showing another embodiment of the relay including the concentric window of the cryostat. You. FIG. 13 is a graphic display showing the performance of the system of Example 3. 14 (A), 14 (B) and 14 (C) show concentric shapes according to a preferred embodiment of the present invention. Modified conventional Mustoff, Baker and E providing spherical focus reducers FIG. 2 is a diagram of a Kinks & Lymph foot camera. Detailed description of the invention The preferred form of the present invention has a focal reduce relay and all critical surfaces are spherical Is a concentric Cassegrain-like camera system. This The relay described here is also a concentric system, with f / 1 speed characteristics at the external focus. Other relays provide different speed / image-scale parameters It should be noted that it can be used for FIG. 1 shows the range of apertures and velocities for which the specified design type is appropriate. The present invention provides a Appropriate for areas designated as "areas". The concept begins with a concentric Cassegrain-Schmidt or Max as shown in Figure 2. It is a Tof camera design. These are an aperture stop 23, a primary mirror 24, a secondary mirror 2 5, and the focal plane 26. The tilt effect in the Schmidt aspherical corrector 21 or Apart from the higher-order spherical chromatic aberrations in the Makstoff compensator 22, the image products of these designs The quality is uniform over the entire range. The aperture stop is located at the common center of the curvature of the mirror. The filling Schmidt compensator has an axis of symmetry, and in colorless form Do a scas. Manufacturing violations of these designs include full aperture aspheric or full aperture thickness Requires the varnish compensator and the necessary configuration and tube length to support the compensator And In FIG. 3, if the corrector is omitted from this design, the aperture stop will Assuming that it is located on the left side at the common center, the result is clearly at all viewing angles This will result in significant spherical aberration. If the field lens is Cassegrain If placed near the point location, the image of the common center of curvature of the aperture stop and mirror is It is made further behind the primary mirror 31. If the actual aperture stop 32 is When aligned, the function of the conventional Schmidt aperture stop (edge at all viewing angles) Obviously, the drawing of light rays is doubled, and as a result, the conventional aperture stop is excluded. Left. The common center of mirror curvature and conventional aperture stop are optically new Moved. The direct advantage is that the camera size is reduced to roughly the same size as the first / second separation Is to do You. The spherical aberration is caused by the insertion of the meniscus element 33 concentric with the center of the new aperture stop 32. Can be more corrected, which is the same optically transferred from the traditional Schmidt arrangement. It is the new center of the heart. Such movement of the concentric center is the field lens 3 5 is a first function, and is hereinafter referred to as a moving (transfer) lens. Called. Note that the Cassegrain focus is repositioned between the two mirrors. is there. Optical alignment is shortened overall due to small forward shift of secondary mirror 37 Is done. The corrected image is virtual, with the repositioned “Cassegrain” focus Located at position 36 between the correction meniscuses 33, this is the actual Because of the negative power. Resetting the real image naturally matches the aperture stop Requires a relay lens to be placed on the entrance pupil. Obviously, many specifications differ. It exists for a relay lens having a conjugate ratio of: The relays described here Can reduce large virtual images relative to typical dimensions of CCD devices And combine the principles and principles of previous optical concentricity, eliminating the essential independence from off-axis aberrations. Hold. Fast focus reducers are used for "slow" telescopes and small detector devices It is well known that, in the present invention, unusual cooperative fusion is Four types of focus reduction relays are possible. The concentric meniscus 44 has a basic Independent of the viewing angle in the same manner as described above for the inventive subsystem, the concave spherical surface Correction of spherical aberration. The tablet 45 is out of focus and has a color equal to or opposite to the color error of the meniscus 44. An error occurs. Since the tablet 45 is located at the aperture stop, the tablet 45 Works equally well and does not disturb the overall concentricity of the system. It should be noted that there are two physical centers of curvature in FIG. is there. The center of the aperture stop 45 is the center of curvature of the meniscus 44, but this center is The light is reflected to the position 40 by the turning surface 46. This arrangement allows for greater access Allows to achieve an external focus on performance. Field curvature is inherent in concentric designs, especially as is well known in Schmidt cameras Is corrected by inserting the field flattening lens 48 close to the focal plane. At the expense of introducing significant off-axis aberrations in normal Schmidt geometry. I However, the numerical aperture (velocity) has increased and this problem has Smaller scales result in partial offsets. Implementation described in the specification of the present invention In the example, the field flattening lens is not significantly degraded by residual spherical color blur. Is weak to give. By merging the aperture stop of the relay and the moved aperture stop of the new subsystem A high-speed imaging system has been assembled. FIG. 5 has been merged into a meridional ray shown at a typical off-axis angle of 1.83 degrees off-axis. The resulting layout is shown. The system comprises a primary mirror 51 and a secondary mirror 5 2 The system also includes correction groups 54 and 55 (meniscus 4 in FIG. 4). 4 and the tablet 45) and the folded surface 56. The field of view in FIG. 5 is a small weak field flat 58 that describes the final flat focal surface. . In this particular design, the field flat lens 58 is uncoated with the CCD detector. Optically coupled to a new silicon structure. This is contributed by the flat field of view 58. Provided to minimize additional aberrations and protect the CCD surface from dirt You. Separating this lens from the focal surface is accompanied by poor image sharpening and f / 1 light Will break into the cone of the line. In the system shown in FIG. 5, the characteristics of this system are summarized below. Confuse. (A) The focal power is attributable to the mirror and is non-colored. (B) the spherical mirror is optically concentric, so that the aperture stop is at the center of curvature (or Removes coma and astigmatism when in the (optically equivalent) position. (C) Spherical aberration correction is simply a necessary addition to reflective optical elements. this Is the function of the compensator group. (D) low residual amplitude, low amplitude, low order coma and secondary color with astigmatism Combination that is primarily generated on the non-concentric surface of the transfer lens You. (E) "Blur" is minimal. The central "meal" is the penetration of the folded part and the relay Determined by the mirrors, the design is adjusted to reflect the secondary mirror in the space between them. Provided to adjust. In Example 1 below, the center “meal” is about 31. 2%, increasing to 33% around a 11 mm diameter image. (F) The distortion is minimal and generally has an amplitude smaller than the diameter of the bleeding point. In order to minimize manufacturing costs in the future, the design example uses the radius of curvature of the optical element. Use the "Smith Wrist" for workplace tools. Non-maximum for residual aberration correction Although suitable, performance differences are negligible. The following three examples, 200 mm aperture f / 0.9 visible / NIR, 1000 mm aperture f / 0.8 visible / NIR, 200mm aperture f / 0.93 thermal infrared field of view Various differences of the total are shown. The specification table is based on a coordinate system in which the Z axis is the optical axis and the X and Y axes are orthogonal to each other. In this design example, the origin is the center of curvature of the primary mirror. “D” and “d” Are the outer and inner dimensions of the annular diameter. The contour of the aspheric trimmer is the following polynomial Is defined by z = c. xTwo/ 2 + a2.xFour+ a6.x6+ a8.x8 Where c is the curvature, x is the x-axis, and anIs a coefficient. The passbands of the first two examples given to this class of system are given by the general C Matches the spectral sensitivity of the CD device, with the highest response at 450 nm and 1 It is between 100 nm. The corresponding refractive index data for optical glass is G, e, d, C, r, s and n1060.0Has been published for It offers good coverage. Early ray tracing processors found some residual aberrations dominant for off-axis rays. It always shows that piece and diverges from non-concentric elements. This is the concentric Cassegrain Fully modified by introducing equal and opposite tops in the stem, where The technology of choice is the focal length of the transfer lens so that the movement is imperfectly concentric. This is a technique that increases separation. The effect of this technique is the classic Schmidt arrangement (primary Displace the center of the entrance pupil away from the center of curvature of the The balancing and thus the desired compensation is provided. The ray tracing is then applied to the aspheric surface Ensure that the placed aperture stop accurately describes the marginal rays for each spectral line It is done by making it. The aberration graph for the intermediate light shown below shows the height of the ray at the entrance pupil as the vertical axis. The horizontal axis gives the lateral position intercepting the focal plane. The two-dimensional histogram is normalized in the amplitude direction, and any striking detail structures are Derived from cuttle light tracking. The most relevant feature is a 32 x 32 μm focal patch Is the maximum range of "footprints". The surface profile of the aspherical band corrector is shown in FIG. The z axis is related to the X axis (vertical) It is enlarged by 2000 elements in a row. FIG. 7 is a side view of the present example, and FIG. It is a graphic display of the calculated performance. The meridional ray aberration curve in FIG. 8 shows a tendency toward a chaotic limit as the viewing angle increases. It shows moderate stability without any. 436, as the two-dimensional histogram shows From 1060 nm to 32 × 3 at 1.455 ° off-axis. Focus only on 2 μm focal area (7 × 9 mm or “2 inch” video target) Angular radius corresponding to the side of the quasi-image). At EPDs significantly larger than 1m, the forcing in the newly designed system is concentric Imposed by the larger dimension of spherical aberration at Cassegrain focus, Lens is critical for mapping the ideal entrance pupil to the system aperture stop Generate an error. The resulting higher order aberrations are related to the proper CCD detector pixel size. They tend to exceed acceptable levels continuously. Example 2 shows a 1000 mm aperture view. Used for 1m modified transfer lens There are special color correction factors used. This occurs at the end of the spectral bandpass. It helps to trim the outer portion of the bleeding point. FIG. 9 shows a side view of the optical layout, and FIG. 10 shows a graph of computer intermediate light. FIG. Thermal infrared modification Other regions of the spectrum are utilized and appropriate detectors and principles of this design apply. It is clear that the refraction medium provided is In recent years, thermal infrared detectors Arrays are manufactured. The most useful in connection with the new imaging system is It is a pt: Pt-Si array available in the field. Spectral region 3.5-5. With useful spectral sensitivity at 5 μm, these detectors are generally It has a pixel size similar to visible / NIR silicon drawing. Further, in the spectral region of 3.5-5.5 μm, germanium is inexpensive And is easily compatible with optical media that is compatible with the refractive elements of high speed relays. , High index of refraction greatly reduces field / transfer lens spherical curvature And the field / transfer lens is the axis of the visible / NIR field of view of this design It provides a corresponding significant reduction in higher order aberrations that limits outliers. The table in Example 3 tabulates the thermal design optical design of the new system and is given in Table 1. Most of the properties of the examples given are comparable. FIG. 11 is a side view of the optical layout. You. An important difference is in the aperture stop of the artificial sapphire dispersion compensator 115 in detail. Including use, the artificial sapphire dispersion compensator 115 has only a single format, But in the spectral band 3.7-5.5 μm the germanium concentric menis To compensate for the negative chromatic aberration of the weed compensator, the associated positive longitudinal chromatic aberration It has accurate and sufficient weak positive power. An essential element of this type of thermal camera is the cryostat subsystem. low temperature The holding device windows are typically made optically flat, but are shared with the high speed optics of this design. Has a center of curvature that matches the reflection of the common center of curvature created at the turning surface Creating a window as a concentric meniscus 119 is more appropriate. That oblique A perspective view is shown in FIG. This window contributes to the system's corrective negative spherical aberration. FIG. 13 is a characteristic diagram of the intermediate luminous flux and the bleeding point using a computer. Provided by Hawkins and Linhhoot cameras as the basis for the design of the focus reduction relay The possible advantages of at least the preferred form of the invention that break the conventional designs offered are: The compensator meniscus is truly concentric and the color tablet has zero power and To give designers more degrees of freedom. Classic Maxtov compensator Is specifically designed non-concentrically to truly compensate for chromatic aberration for small off-axis angles It is. However, at least a preferred form of the invention provides in this case an acceptable off-axis angle. Is over. The special degree of freedom described above is due to the fact that optical glass can be used for meniscus and color tablets. Used to colorless the system as selected by This color tablet uses the normal two wavelengths inherent in normal non-color correction. Allows for sharper focuses In particular, by selecting the Schott FK51 for the meniscus, The chromatic aberration to be corrected by the tablet is the glass KzF N2 and PK 51 a is used to provide colorlessness beyond the pass band 400-1100 nm Minimized range (overall sensing of a typical silicon-based CCD imaging device) Bandwidth), while retaining the zero power usage of the tablet. The triplet format is Allow gain in aberration control. As a result, the resolution of the system is a factor of about 3, The size of the bleeding point having a potential as low as μm, and at a speed of about f / 0.8 Is improved with respect to the band. In other words, it has been used in astronomy and other scientific explorations. Design to accommodate new and very large silicon CCD imaging devices. Means ability to do great. SCALING All three examples above are based on the use of a "2/3" video standard CCD detector. This detector is a high-speed relay for a specific numerical aperture. Effectively determine the linear dimensions of the subsystem. Other detector dimensions include speed and feel The appropriate combination of the linear field of the transfer / transfer lens and the residual aberration Requires a variant of the relay to provide. From the three examples, once the detector / relay combination is initially determined, The Cassegrain element is established and the desired target field is added to the linear field of the relay. It is clear whether to match the field angles. Feel the fusion of the two subsystems This is achieved by a detailed adaptation of the transfer / transfer and compensator elements.
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